Sam Flynn (Garrett Hedlund) es un rebelde joven de 27 años consternado por la misteriosa desaparición de su padre, cuando fue un día al trabajo y nunca regresó, Kevin Flynn, (Jeff Bridges) quien fue tiempo atrás conocido mundialmente como el máximo desarrollador de videojuegos de la empresa ENCOM. Cuando Sam va tras ua pista enviada con un extraño mensaje procedente de Flynn's Arcade, uno que sólo pudo ser enviado por su padre, termina siendo absorbido por el mundo digital en el que ha estado viviendo Kevin Flynn durante los últimos 20 años. Junto con la intrépida Quorra (Olivia Wilde) padre e hijo se embarcan en un viaje de vida o muerte a través de un mundo cibernético visualmente asombroso y plagado de peligros; un universo creado por Flynn que se ha vuelto mucho más avanzado, con vehículos, armas y paisajes nunca antes imaginados y con CLU, (Jeff Bridges) un villano que está dispuesto a todo. Sam se siente desorientado en un principio, por lo que es capturado por unos guardias quienes buscan "programas" corruptos. Si el programa está muy dañado debe ser enviado a "rectficar"; por el contrario si solo es un programa rebelde debe ser enviado a la arena de Juegos a competir por su vida. Sam, atendido por unos programas llamados Sirenas, es despojado de la ropa humana con la que entró y se le asigna un traje de luz. Asimismo, se le asigna un disco, que es donde se guardarán sus recuerdos y conocimientos sobre ese mundo. Cuando por fin Sam entra a la arena, tiene que participar en las Batallas de Discos, en la cual los programas combaten con su propio disco como arma hasta que uno de ellos es eliminado. Sam juega muy bien las primeras rondas hasta que le corresponde jugar contra Rinzler, uno de los rivales más temidos y aclamados. El escapa de las jaulas donde son las batallas de discos, y por eso, es enviado a competir a la arena de Motos de Luz.